x射線概述課件

1、X射線衍射理論與技術(shù)課程介紹課程學(xué)習(xí)總體要求掌握x射線物理基礎(chǔ)和晶體學(xué)基礎(chǔ)知識。了解掌握X射線衍射分析的基本概念和相關(guān)術(shù)語。掌握x射線衍射的原理、方法和實(shí)用技術(shù)。了解x射線衍射的發(fā)展與動態(tài)。參考書目姜傳海, 楊傳錚X射線衍射技術(shù)及其應(yīng)用范雄金屬X射線學(xué)周玉材料分析方法常鐵軍, 高靈清, 張海峰材料現(xiàn)代研究方法X射線衍射分析X射線衍射分析主要用于物相分析和晶體結(jié)構(gòu)的測定。它所獲取的所有信息都基于材料的結(jié)構(gòu)。 研究內(nèi)容 1物相分析2 精細(xì)結(jié)構(gòu)鑒定3 晶粒取向測定日本島津XD-5A型X射線粉末衍射儀Philips X Pert MPD 多功能全自動X射線粉末衍射儀考核辦法平時(shí)成績30分考試70分X射

2、線發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用發(fā)展1895年11月8日 倫琴真空管的高壓放電氰亞鉑酸鋇的硬紙板 熒光醫(yī)學(xué)1896年1月23日 學(xué)術(shù)報(bào)告。1896年， Nature1910年 第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線的本質(zhì)粒子 波動光的干涉與衍射 光的干涉與衍射 勞厄的第一次X射線衍射實(shí)驗(yàn)硫酸銅物理學(xué)最美的實(shí)驗(yàn)X射線的波動性晶體的結(jié)構(gòu)的周期性X射線性質(zhì)波動性與粒子性X射線的本質(zhì)是一種電磁波。 X射線具有波粒二象性。在X射線衍射分析中應(yīng)用的主要是它的波動性與物質(zhì)相互作用，進(jìn)行能量交換時(shí)，則表現(xiàn)出它的粒子性。X射線粒子性：X射線的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)的粒子流構(gòu)成的。它具有一定能量和動量。能量和動量p與X射線光子的頻率v和

3、波長之間的關(guān)系如下：hv=hc/ ph/h為普朗克常數(shù)，為 6.625*10-34J.s c 為光速，為 2.998X108 m/sX射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動著的電子突然被阻止時(shí)，伴隨著電子動能的消失或轉(zhuǎn)化，會產(chǎn)生X射線。獲得X射線必須滿足的條件產(chǎn)生并發(fā)射自由電子的電子源，如加熱鎢絲發(fā)射熱電子；在真空中（一般為10-6mmHg），使電子作定向的高速運(yùn)動；在高速電子流的運(yùn)動路程上設(shè)置一障礙物（陽極靶），使高速運(yùn)動的電子突然受阻而停止下來。這樣，靶面上就會發(fā)射出X射線。X射線譜X射線譜：即X射線強(qiáng)度I隨波長而變化的關(guān)系曲線。X射線強(qiáng)度：單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于X射線傳播方向的單位面積的X射線總能量，以J/

4、cm2s為單位。以計(jì)數(shù)管測定時(shí)，通常將在單位時(shí)間內(nèi)X射線通過計(jì)數(shù)管窗口的光子數(shù)，即計(jì)數(shù)率（cps ）作為X射線的強(qiáng)度。X射線分類連續(xù)X射線特征X射線 連續(xù)X射線特點(diǎn) 1）強(qiáng)度隨波長而連續(xù)變化，每條曲線都對應(yīng)有一個(gè)最短的波長（短波限0）和一個(gè)強(qiáng)度的最大值。最大值一般在1.50地方。2）0只與管壓有關(guān)，與管流和靶的材料無關(guān)。按量子理論，可得二者之間的關(guān)系： 0=1.24/V (nm)3）連續(xù)X射線的強(qiáng)度不僅與管壓有關(guān)，還與管流和靶材有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式： I連=i ZV2式中i 電流強(qiáng)度，Z為靶材的原子序數(shù)。為常數(shù)為（1.1-1.4）*10-9X射線管的效率X射線管的效率，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X

5、射線的百分?jǐn)?shù)，即隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1左右，99的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。連續(xù)X射線產(chǎn)生機(jī)理 按量子理論，當(dāng)高速的電子撞擊靶中的原子時(shí)，電子失去自己的能量。其中大部分轉(zhuǎn)化為熱能。一部分以光子（X射線）的形式輻射出。光子的能量為hv。由于單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)靶表面的電子數(shù)量很多。各個(gè)電子的能量各不相同，產(chǎn)生的X射線的波長也就不同。于是產(chǎn)生了一個(gè)連續(xù)的X射線譜。 特征X射線譜 譜線的波長與管壓和管流無關(guān)。它與靶材有關(guān)。對給定的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱之為特征X射線譜線或標(biāo)識X射線。產(chǎn)生特征X射線的最

6、低電壓稱激發(fā)電壓。 特征X射線與靶材原子結(jié)構(gòu)莫塞萊定律K為與靶中主元素有關(guān)的常數(shù)，為屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層有關(guān)。特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射線波長一定。當(dāng)K電子被打出K層時(shí)，如L層電子來填充K空位時(shí)，則產(chǎn)生K輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差，即特征X射線的命名方法當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生K輻射。M能級與K能級之差大于L能級與K能級之差，即一個(gè)K光子的能

7、量大于一個(gè)K光子的能量； 但因LK層躍遷的幾率比MK遷附幾率大，故K輻射強(qiáng)度比K輻射強(qiáng)度大五倍左右。 顯然， 當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M等系的輻射。除K系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。不同靶材料具有不同波長的特征X射線和激發(fā)電壓 K雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的8個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。K雙線系電子分別由L和L兩個(gè)亞層躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時(shí)l0），因

8、此沒有輻射X射線與物質(zhì)相互作用X射線的散射X射線通過物質(zhì)時(shí)，部分X射線將改變它們前進(jìn)的方向，即發(fā)生散射現(xiàn)象。X射線的散射包括兩種：相干散射和非相干散射。 。相干散射（湯姆遜散射)當(dāng)對X射線與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用時(shí)，無法使它們脫離所在的能級,但產(chǎn)生受迫振動。每個(gè)受迫振動的電子便成為一個(gè)新的電磁波源，向四周輻射與入射X射線的頻率（波長）相同的電磁波相干散射是X射線在晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)A、與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用。B、散射波隨入射X射線的方向改變了，但頻率（波長）相同。C、各散射波之間符合振動方向相同、頻率相同、位相差恒定的干涉條件，可產(chǎn)生干涉作用。非相干散射（康普頓散射）我國著名的物

9、理學(xué)家吳有訓(xùn)與美國物理學(xué)家康普頓一起在1924年發(fā)現(xiàn)的此效應(yīng)。故亦稱康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)X射線的吸收 物質(zhì)對X射線的吸收指X射線能量在經(jīng)過物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰康男?yīng)。它主要包括：光電效應(yīng)（二次特征幅射）和俄歇效應(yīng)等。 光電效應(yīng) 當(dāng)用X射線轟擊物質(zhì)時(shí) ，若X射線的能量大于物質(zhì)原子對其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射X射線光子的能量就會被吸收，從而導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被激發(fā)，并使高能級上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征X射線。我們稱X射線激發(fā)的特征X射線為二次特征X射線或熒光X射線。 俄歇效應(yīng) 俄歇效應(yīng)當(dāng)高能級的電子向低能級躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生二次X射線，而是被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸收，并促使該電子

10、受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。二次電子具有特定的能量值。可以用來表征這些原子。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的成分。 X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)X射線通過物質(zhì)時(shí)，X射線強(qiáng)度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因吸收導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，X射線通過物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減是由于物質(zhì)對它的吸收所造成的。 衰減的程度可以用吸收系數(shù)來表征： I0和Ix分別是入射和透過物質(zhì)后X射線的強(qiáng)度x 為厚度。u為物質(zhì)的線吸收系數(shù)，其意義是當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，在X射線傳播方向上，單位長度上X射線強(qiáng)度的衰減程度。它與物質(zhì)的種類、密度和X

11、射線波長有關(guān)。 由于線吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度有關(guān)，計(jì)算起來不方便。因此，實(shí)際中最常用的是物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) um:為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是單位質(zhì)量物質(zhì)對X射線的衰減程度質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度和狀態(tài)無關(guān)，而與物質(zhì)的原子序數(shù)（即原子的種類）和入射X射線的波長有關(guān)。它們的關(guān)系為： K為常數(shù)。吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對X射線的吸收程度。 1）吸收系數(shù)隨波長的增大而增大, 且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因?yàn)閄射線的波長越長越容易被物質(zhì)所吸收。2）在某些波長的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發(fā)限的存在。 幾種元素K系射線波長和常用的濾波片及其吸收限 吸收限的應(yīng)用 1）濾波片的選用在

12、X射線分析中，在大多數(shù)情況下都希望所使用的X射線波長單一，即“單色”X射線。但實(shí)際上，如上所述，K系特征譜線包括兩條譜線。在X射線分析時(shí)，它們之間會相互干擾。我們可以應(yīng)用某些材料對X射線吸收的特性，將其中的K線過濾掉。如上所述，任何材料對X射線的吸收都有一個(gè)K線和K線。如Ni的吸收限為0.14869 nm。也就是說它對0.14869nm波長及稍短波長的X射線有強(qiáng)烈的吸收。而對比0.14869稍長的X射線吸收很小。Ni 的吸收限: 0.14869nmCu靶X射線:K=0.15418nm K=0.13922nm X射線分析中，在X射線管與樣品之間放一個(gè)濾波片，以濾掉K線。濾波片的材料依靶的材料而定

13、。一般采用比靶材的原子序數(shù)小1或2的材料。當(dāng)Z靶40時(shí)， Z濾=Z靶-1 當(dāng)Z靶40時(shí)， Z濾=Z靶-2 幾種元素K系射線波長和常用的濾波片及其吸收限 2）不同陽極靶X射線管的選擇 為避免樣品強(qiáng)烈吸收入射X射線產(chǎn)生熒光幅射，對分析結(jié)果產(chǎn)生干擾。必須根據(jù)所測樣品的化學(xué)成分選用不同靶材的X射線管。原則是：Z靶Z樣品+1 或 Z靶Z樣品應(yīng)當(dāng)避免使用比樣品中的主元素的原子序數(shù)大26（尤其是2）的材料作靶材的X射線管。例如: 鐵為主的樣品，選用Co或Fe靶,不選用Ni或Cu靶。實(shí)際工作中最常用的是Cu及Fe和Co靶的管。Cu靶適用于除Co、Fe、Mn、Cr等元素為主的樣品。 射線防護(hù)1 屏蔽2 空間3

14、時(shí)間小結(jié)小結(jié)光電效應(yīng)小結(jié)X射線的衰減小結(jié)X射線管的結(jié)構(gòu) X射線管的基本電氣電路 陰極如同一般的燈絲，一般用鎢絲做成。用于產(chǎn)生大量的電子。陽極（靶）由不同的金屬組成。從陰極發(fā)出的電子高速向靶撞擊，產(chǎn)生X射線。不同金屬制成的靶產(chǎn)生的X射線是不同的?？筛鶕?jù)需要選用用不同靶材制作的X射線管。常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag冷卻系統(tǒng)當(dāng)電子束轟擊陽極靶時(shí)，其中只有1%能量轉(zhuǎn)換為X射線，其余的99%均轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。因此?陽極的底座一般用銅制作。使用時(shí)通循環(huán)水進(jìn)行冷卻。以防止陽極過熱的熔化。焦點(diǎn)陽極靶面被電子束轟擊的面積。其形狀取決于陰極燈絲的形狀。焦點(diǎn)形狀焦點(diǎn)一般為1mm*1

15、0mm的長方形。產(chǎn)生的X射線束以6度角度向外發(fā)射。在不同的方向產(chǎn)生不同形狀的X射線束。與焦點(diǎn)長邊方向相對應(yīng)的位置上產(chǎn)生約0.1*10mm的線狀X射線束。在相應(yīng)于短邊的方向上產(chǎn)生1*1mm的點(diǎn)狀X射線束。窗口X射線射出的通道。窗口一般用對X射線穿透性好的輕金屬鈹密封，以保持X射線的真空。一般X射線管有四個(gè)窗口，分別從它們中射出一對線狀和一對點(diǎn)狀X射線束。旋轉(zhuǎn)陽極（轉(zhuǎn)靶）X射線管 作用陽極以3000r/min左右的高速度作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這樣，受電子束轟擊的點(diǎn)不斷地改變，熱量就有充分的時(shí)間散發(fā)出去。這種旋轉(zhuǎn)陽極的X射線管最大功率密度可達(dá)到5000W/mm2左右。最大管流可達(dá)到500mA左右，其發(fā)出的X射線束強(qiáng)度可比通常的X射線管大很多倍 同步輻射X射線源 在電子同步加速器或電子儲存環(huán)中，高能電子在強(qiáng)大的磁偏轉(zhuǎn)力的作用下作